CN110621446B - 机器人系统以及机器人系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的机器人系统具有：从动单元(1)，其包括对作用于在从动臂(11)的作业端(11a)保持的工件(W)的反作用力(fs)的方向和大小进行检测的从动侧力检测部(12)；主控单元(2)，其包括检测操作者(P)对主控臂(21)的操作端(21a)施加的操作力(fm)的方向和大小的主控侧力检测部(22)；以及系统控制部(3)，其基于操作力(fm)和反作用力(fs)生成从动动作指令(xs)和主控动作指令(xm)，系统控制部(3)具有限制部(32)，该限制部(32)在反作用力(fs)超过预先设定的允许值(flim)时修正作业端(11a)的移动方向，以便限制作业端(11a)向按压对象物(T)的方向的移动。

Description

机器人系统以及机器人系统的控制方法
技术领域
本发明涉及机器人系统以及机器人系统的控制方法。
背景技术
以往公知有主从机械手及其控制方法(例如参照专利文献1)。
该主从机械手构成为：若力觉传感器测定的反作用力超过预先设定的力目标值，则切换为接触模式。在该接触模式中构成为：在预先设定为与作业对象物的法线方向几乎一致的力控制方向上，即，在朝向作业对象物的方向以及远离作业对象物的方向上，不使从动臂以追随主控臂的动作的方式动作，而是通过力控制使之动作，以使力觉传感器测定出的反作用力与预先设定的力目标值一致。由此，能够稳定地控制一边与较硬的作业对象物接触、一边进行作业的主从机械手。
专利文献1：日本特开平8-281573号公报
然而，在专利文献1中记载的主从机械手，在接触模式中将向主控臂的输入无效化，因此若不进行模式切换操作，就不能操作主控臂并使从动臂向从作业对象物离开的方向动作，在操作性上存在难点。
发明内容
为了解决上述课题，机器人系统具有：从动单元，从动单元，其包括：具有作业端的从动臂、在保持于所述作业端的工件与组装该工件的对象物接触时对作用于所述作业端或作用于在所述作业端保持的所述工件的反作用力的方向和大小进行检测的从动侧力检测部、驱动所述从动臂的从动臂驱动部、以及基于规定所述作业端的移动方向的从动动作指令来控制所述从动臂驱动部的从动侧控制部；主控单元，其包括：具有操作端的主控臂、检测操作者对所述操作端施加的操作力的方向和大小的主控侧力检测部、驱动所述主控臂的主控臂驱动部、以及基于规定所述操作端的移动方向的主控动作指令来控制所述主控臂驱动部的主控侧控制部；以及系统控制部，其基于所述操作力和所述反作用力，生成所述从动动作指令、和使所述操作端向与该从动动作指令的所述作业端的移动方向对应的移动方向移动的所述主控动作指令，其中，所述系统控制部具有：换算部，其基于所述操作力和所述反作用力计算出所述作业端的移动方向；限制部，其在所述反作用力超过预先设定的允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便限制所述作业端向按压所述对象物的方向的移动；以及指令生成部，其基于修正后的所述作业端的所述移动方向生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够限制工件的按压动作，从而能够防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏。另外，在保持于作业端的工件按压对象物的状态下，通过向与作业端从对象物离开的方向对应的方向对操作端施加力，由此能够使从动臂的作业端向从对象物离开的方向移动，从而能够使操作性提高。
为了解决上述课题，机器人系统的控制方法具有：从动单元，其包括：具有作业端的从动臂、在保持于所述作业端的工件与组装该工件的对象物接触时对作用于所述作业端或作用于在所述作业端保持的所述工件的反作用力的方向和大小进行检测的从动侧力检测部、驱动所述从动臂的从动臂驱动部、以及基于规定所述作业端的移动方向的从动动作指令来控制所述从动臂驱动部的从动侧控制部；主控单元，其包括：具有操作端的主控臂、检测操作者对所述操作端施加的操作力的方向和大小的主控侧力检测部、驱动所述主控臂的主控臂驱动部、以及基于规定所述操作端的移动方向的主控动作指令来控制所述主控臂驱动部的主控侧控制部；以及系统控制部，其基于所述操作力和所述反作用力，生成所述从动动作指令、和使所述操作端向与该从动动作指令的所述作业端的移动方向对应的移动方向移动的所述主控动作指令，所述机器人系统的控制方法的特征在于，具有以下步骤：换算步骤，所述系统控制部基于所述操作力和所述反作用力计算出所述作业端的移动方向；限制步骤，所述系统控制部在所述反作用力超过预先设定的允许值时修正所述作业端的移动方向，以便限制所述作业端向按压所述对象物的方向的移动；以及指令生成步骤，所述系统控制部基于修正后的所述作业端的移动方向生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够限制工件的按压动作，从而能够防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏。另外，在保持于作业端的工件按压对象物的状态下，通过向与作业端从对象物离开的方向对应的方向对操作端施加力，从而能够使从动臂的作业端向从对象物离开的方向移动，能够使操作性提高。
本发明能够防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏，另外，会起到能够使操作性提高的效果。
附图说明
图1是示意地表示实施方式1的机器人系统的结构例的图。
图2是示意地表示图1的机器人系统的控制系统的结构例的框图。
图3A是表示图1的机器人系统的动作例的流程图。
图3B是表示图1的机器人系统的动作例的流程图。
图4A是表示图1的机器人系统的动作例的图。
图4B是表示图1的机器人系统的动作例的图。
图5A是表示在图1的机器人系统的动作例中反作用力随时间推移的变化的图。
图5B是表示在图1的机器人系统的动作例中缓和速度矢量的按压方向分量随时间推移的变化的图。
图5C是表示在图1的机器人系统的动作例中加减速度矢量的按压方向分量的随时间推移的变化的图。
图6是示意地表示实施方式2的机器人系统的控制系统的结构例的框图。
具体实施方式
机器人系统具有：从动单元，从动单元，其包括：具有作业端的从动臂、在保持于所述作业端的工件与组装该工件的对象物接触时对作用于所述作业端或作用于在所述作业端保持的所述工件的反作用力的方向和大小进行检测的从动侧力检测部、驱动所述从动臂的从动臂驱动部、以及基于规定所述作业端的移动方向的从动动作指令来控制所述从动臂驱动部的从动侧控制部；主控单元，其包括：具有操作端的主控臂、检测操作者对所述操作端施加的操作力的方向和大小的主控侧力检测部、驱动所述主控臂的主控臂驱动部、以及基于规定所述操作端的移动方向的主控动作指令来控制所述主控臂驱动部的主控侧控制部；以及系统控制部，其基于所述操作力和所述反作用力，生成所述从动动作指令、和使所述操作端向与该从动动作指令的所述作业端的移动方向对应的移动方向移动的所述主控动作指令，其中，所述系统控制部具有：换算部，其基于所述操作力和所述反作用力计算出所述作业端的移动方向；限制部，其在所述反作用力超过预先设定的允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便限制所述作业端向按压所述对象物的方向的移动；以及指令生成部，其基于修正后的所述作业端的所述移动方向生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够限制工件的按压动作，从而能够防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏。另外，在保持于作业端的工件按压对象物的状态下，通过向与作业端从对象物离开的方向对应的方向对操作端施加力，由此能够使从动臂的作业端向从对象物离开的方向移动，能够使操作性提高。
也可以构成为：所述从动动作指令是位置指令。
根据该结构，在使用了基于位置指令进行动作的从动臂的机器人系统中，能够有效地防止工件或对象物的损坏。
也可以构成为：所述限制部具有力加减部，所述力加减部在所述反作用力超过所述允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便暂时维持所述作业端按压所述对象物的方向上的所述作业端的位置。
根据该结构，在使用了基于位置指令进行动作的从动臂的机器人系统中，能够适当地防止工件或对象物的损坏。
也可以构成为：所述换算部基于所述操作力与所述反作用力的差计算出规定所述作业端的移动方向和移动速度的原速度矢量，所述限制部具有力加减部，所述力加减部在所述反作用力的朝向按压所述对象物的方向的按压方向分量超过所述允许值，并且所述原速度矢量包括朝向按压所述对象物的方向的按压方向分量时以使该按压方向分量变为0的方式，修正所述原速度矢量并计算出加减速度矢量，所述指令生成部基于所述加减速度矢量而生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够有效地防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏。
也可以构成为：所述力加减部修正所述原速度矢量并计算出所述加减速度矢量，以使所述加减速度矢量的与作为按压所述对象物的方向分量的按压方向分量正交的方向的分量、与所述原速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量成为相同的值。
根据该结构，能够防止由从动臂的动作引起的工件或对象物的损坏，并且能够防止操作感变差。
也可以构成为：所述限制部具有力缓和部，所述力缓和部在超过所述允许值时修正所述作业端的移动方向，以使所述作业端向与所述作业端按压所述对象物的方向相反的方向移动。
根据该结构，能够在工件与对象物接触时缓和反作用力。
也可以构成为：所述换算部基于所述操作力与所述反作用力的差，计算出规定所述作业端的移动方向和移动速度的原速度矢量，所述力缓和部在所述反作用力超过所述允许值时，基于从所述允许值的偏离值修正所述原速度矢量并计算出缓和速度矢量，以使所述原速度矢量的作为按压所述对象物的方向分量的按压方向分量变小，所述指令生成部基于所述缓和速度矢量生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够在工件与对象物接触时适当地缓和反作用力。
也可以构成为：所述力缓和部在所述原速度矢量的所述按压方向分量上加上调整累计值来修正所述原速度矢量并计算出所述缓和速度矢量，所述调整累计值是将从所述允许值中减去所述反作用力所得的值累计后的值乘以规定的增益所得到的值。
根据该结构，能够在工件与对象物接触时适当地缓和反作用力。
也可以构成为：若在所述反作用力超过所述允许值后所述反作用力又收敛至允许值内，则所述力缓和部将所述调整累计值设为0。
根据该结构，能够防止工件与对象物分离从而作业性降低。
也可以构成为：所述限制部具有力加减部，所述力加减部在所述反作用力超过所述允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便暂时维持所述作业端按压所述对象物的方向上的所述作业端的位置。
根据该结构，在使用了基于位置指令进行动作的从动臂的机器人系统中，能够适当地防止工件或对象物的损坏。
也可以构成为：所述限制部还具有力加减部，所述力加减部在所述反作用力的朝向按压所述对象物的方向的按压方向分量超过所述允许值，并且所述缓和速度矢量包括所述按压方向分量时以使该按压方向分量变为0的方式，修正所述缓和速度矢量并计算出加减速度矢量，所述指令生成部基于所述加减速度矢量生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够适当地防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏。
也可以构成为：所述力缓和部修正所述原速度矢量并计算出所述加减速度矢量，以使所述缓和速度矢量的与作为按压所述对象物的方向分量的按压方向分量正交的方向的分量、与所述原速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量成为相同的值，所述力加减部修正所述缓和速度矢量并计算出所述加减速度矢量，以使所述加减速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量、与所述缓和速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量成为相同的值。
根据该结构，能够防止由从动臂的动作引起的工件或对象物的损坏，并且能够防止操作感变差。
机器人系统的控制方法，机器人系统具有：从动单元，其包括：具有作业端的从动臂、在保持于所述作业端的工件与组装该工件的对象物接触时对作用于所述作业端或作用于在所述作业端保持的所述工件的反作用力的方向和大小进行检测的从动侧力检测部、驱动所述从动臂的从动臂驱动部、以及基于规定所述作业端的移动方向的从动动作指令来控制所述从动臂驱动部的从动侧控制部；主控单元，其包括：具有操作端的主控臂、检测操作者对所述操作端施加的操作力的方向和大小的主控侧力检测部、驱动所述主控臂的主控臂驱动部、以及基于规定所述操作端的移动方向的主控动作指令来控制所述主控臂驱动部的主控侧控制部；以及系统控制部，其基于所述操作力和所述反作用力，生成所述从动动作指令、和使所述操作端向与该从动动作指令的所述作业端的移动方向对应的移动方向移动的所述主控动作指令，其中，具有以下步骤：换算步骤，所述系统控制部基于所述操作力和所述反作用力计算出所述作业端的移动方向；限制步骤，所述系统控制部在所述反作用力超过预先设定的允许值时修正所述作业端的移动方向，以便限制所述作业端向按压所述对象物的方向的移动；以及指令生成步骤，所述系统控制部基于修正后的所述作业端的移动方向生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
根据该结构，能够限制工件的按压动作，并能够防止由从动臂的动作引起的工件和对象物的损坏。另外，在保持于作业端的工件按压对象物的状态下，通过对操作端向与作业端从对象物离开的方向对应的方向施加力，能够使从动臂的作业端向从对象物离开的方向移动，从而能够使操作性提高。
以下，一边参照附图、一边对实施方式进行说明。另外，本发明并不限定于本实施方式。另外，以下在所有的附图中，对相同或相当的部件标注相同的附图标记，并省略其重复的说明。
(实施方式1)
图1是示意地表示实施方式1的机器人系统100的结构例的图。图2是示意地表示机器人系统100的控制系统的结构例的框图。
如图1和图2所示，机器人系统100是包括从动臂11以描绘主控臂21的举动的方式进行动作的主控从方式的机器人的系统。在机器人系统100中构成为：处于从从动臂11的作业区域离开的位置(作业区域外)的操作者挪动主控臂21并将动作指令向机器人系统100输入，由此从动臂11进行与该动作指令对应的动作，从而能够进行部件的组装作业等特定的作业。
此外，机器人系统100是双向控制方式的机器人系统，构成为：控制部除了控制从动臂11的动作以外，还控制主控臂21的动作，由此经由主控臂21向操作者提示作用于从动臂11的力。机器人系统100具备包括从动臂11在内的从动单元1、包括主控臂21在内的主控单元2、以及系统控制部3。
[从动单元的结构例]
从动单元1是工业用机器人。但并不局限于此。从动单元1包括基部10、从动臂11、从动侧力检测部12、从动臂驱动部13(参照图2)以及从动侧控制部14(参照图2)。
从动臂11例如是垂直多关节型的机械臂。即，具备在从基端部朝向前端部的方向上依次连结的多个连杆、和相对于相邻的连杆的一方能够转动地连结另一方的一个以上的关节。而且，从动臂11的前端部构成作业端11a，在作业端11a设置有机械手(末端执行器)16。基部10例如固定于地面，并支承从动臂11。
机械手16构成为能够进行保持动作和释放动作，其中，保持动作进行工件W的保持，释放动作进行保持的工件W的释放。机械手16包括用于进行保持动作和释放动作的未图示的机械手驱动部。另外，在本实施方式中机械手16例如构成为能够进行保持动作和释放动作，以便能够实施部件的组装作业，但并不局限于此。也可以取代之，例如构成为能够进行焊接作业、涂装作业。
从动侧力检测部12是检测作用于相互正交的三个轴向的力的大小的传感器，并配设于从动臂11的作业端11a。从动侧力检测部12由能够进行作用于相互正交的三个轴向的分力的检测的三轴力觉传感器构成。由此，从动侧力检测部12构成为：在保持于从动臂11的作业端11a的工件W接触到组装工件W的对象物T时，检测作用于作业端11a或作用于在作业端11a保持的工件W的反作用力fs的方向和大小。
从动臂驱动部13驱动从动臂11。即，从动臂驱动部13包括设置于从动臂11的各关节的致动器，并通过致动器的驱动使各关节动作，由此使前端部(作业端11a)和机械手16相对于从动臂11的基端部在规定的动作区域内移动。在本实施方式中，例如从动臂11的各关节是转动关节，致动器是具备减速器的伺服马达。
从动侧控制部14基于规定作业端11a的移动方向的从动动作指令xs控制从动臂驱动部13，使从动臂11动作。从动动作指令xs是从动坐标系中的位置指令。从动侧控制部14基于从动动作指令xs计算各关节的伺服马达的输出轴的旋转角，控制向从动臂11的各关节的伺服马达供给的电流并控制伺服马达的动作，从而变更从动臂11的姿势。
[主控单元的结构例]
主控单元2设置于作业区域外，并控制从动臂11的动作。
主控单元2包括主控臂21、主控侧力检测部22、主控臂驱动部23以及主控侧控制部24。
主控臂21是操作者P触碰并操作从而输入从操作者P对从动臂11的动作指令的装置。操作者P触碰并操作的部位构成操作端21a，操作者P对操作端21a施加力，从而输入对从动臂11的动作指令。
主控侧力检测部22是检测作用于相互正交的三个轴向的力的大小的传感器，配设于主控臂21的操作端21a。主控侧力检测部22由能够进行作用于相互正交的三个轴向的分力的检测的三轴力觉传感器构成。由此，主控侧力检测部22构成为：检测从操作者P对从动臂11的动作指令、即操作者P施加至主控臂21的操作端21a的操作力fm的方向和大小。
主控臂驱动部23驱动主控臂21。即，主控臂驱动部23包括设置于主控臂21的各关节的致动器，通过致动器的驱动使各关节动作，由此使主控臂21的操作端21a移动。在本实施方式中，例如致动器是具备减速器的伺服马达。
主控侧控制部24基于规定操作端21a的移动方向的主控动作指令xm控制主控臂驱动部23，使主控臂21动作。主控动作指令xm是主控坐标系中的位置指令。主控侧控制部24基于主控动作指令xm计算出主控臂21的各关节的伺服马达的输出轴的旋转角，控制向主控臂21的各关节的伺服马达供给的电流，并控制各关节的伺服马达的动作，从而变更主控臂21的姿势。
[系统控制部的结构例]
系统控制部3通过并列型双向控制方式控制从动单元1和主控单元2。即，系统控制部3基于主控侧力检测部22检测到的操作力fm和从动侧力检测部12检测到的反作用力fs，生成作为位置指令的从动动作指令xs和作为位置指令的主控动作指令xm。主控动作指令xm是使操作端21a向与从动动作指令xs的作业端11a的移动方向对应的移动方向移动的动作指令。即，构成为：从动臂11的从动坐标系与主控臂21的主控坐标系相对应，并且从动动作指令xs的从动坐标系中的作业端11a的移动方向与主控动作指令xm的主控坐标系中的操作端21a的移动方向为相同的方向(相互一致)。
由此，从动臂11的作业端11a以描绘主控臂21的操作端21a的举动的方式进行动作，并且经由主控臂21的操作端21a向操作者提示作用于从动臂11的作业端11a的力。因此构成为操作者能够识别作业端11a与环境接触时的力觉并进行作业。
系统控制部3包括换算部31、限制部32以及指令生成部33。换算部31、限制部32以及指令生成部33是通过未图示的运算部执行规定的控制程序来实现的功能模块。
从动侧控制部14、主控侧控制部24以及系统控制部3的上述的运算部例如由微控制器、CPU、ASIC、FPGA等可编程逻辑器件(PLD)等的运算器构成。运算部可以由集中控制的单独的控制器构成，也可以由相互配合来进行分散控制的多个控制器构成。另外，系统控制部3具备存储各种程序和数据的存储装置(未图示)。另外，系统控制部3可以由包括从动侧控制部14和主控侧控制部24在内的单独的控制器构成，也可以由相互配合来进行分散控制的多个控制器构成。
换算部31基于主控侧力检测部22检测到的操作力fm和从动侧力检测部12检测到的反作用力fs计算作业端11a的移动方向。即，基于操作力fm与反作用力fs的差计算规定作业端11a的移动方向和移动速度的原速度矢量vd。换算部31例如基于以下算式(1)计算出原速度矢量vd。
[算式1]
Figure BDA0002274759720000101
其中，
M是规定的质量值，
cv是规定的粘性系数。
限制部32在从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过预先设定的允许值flim时修正从动臂11的作业端11a的移动方向，以使限制从动臂11的作业端11a向按压对象物T的方向的移动。在本实施方式中，限制部32包括力缓和部41和力加减部42。
力缓和部41在从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim时修正从动臂11的作业端11a的移动方向，以使从动臂11的作业端11a向与从动臂11的作业端11a的按压对象物T的方向相反的方向移动。
在本实施方式中，在从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim时，例如通过以下算式(2)～(5)，基于原速度矢量vd计算出缓和速度矢量vdm。
[算式2]
vdm＝vdmii+vdmjj+vdmkk …(2)
vdmi＝vdi+Kp(flim-fsi)+Ki∫(flim-fsi)dt …(3)
vdmj＝vdj …(4)
vdmk＝vdk …(5)
其中，
i是朝向按压对象物的方向的按压方向(i方向)的单位矢量，
j是与i方向正交的j方向的单位矢量，
k是与i、j方向正交的k方向的单位矢量，
vdi是vd的i方向分量，
vdj是vd的j方向分量，
vdk是vd的k方向分量，
vdmi是vdm的i方向分量，
vdmj是vdm的j方向分量，
vdmk是vdm的k方向分量。
即，力缓和部41构成为：在反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim时，在原速度矢量vd的按压方向分量vdi上加上基于从允许值flim中减去反作用力fs的按压方向分量fsi所得的值计算出的值，由此修正原速度矢量vd并计算缓和速度矢量vdm。即，在原速度矢量vd的按压方向分量vdi上加上在从允许值flim中减去反作用力fs的按压方向分量fsi所得的值(负值)再乘以比例增益Kp所得到的调整比例值、和在将从允许值flim中减去反作用力fs的按压方向分量fsi所得的值累计后的值(负值)乘以积分增益Ki所得到的调整累计值，由此修正原速度矢量vd并计算缓和速度矢量vdm。即，在反作用力fs超过允许值flim时，基于从允许值flim的偏离值，修正原速度矢量vd并计算缓和速度矢量vdm，以使原速度矢量vd的作为按压对象物T的方向分量的按压方向分量vdi变小。这样，构成为在按压方向分量vdi上加上调整累计值，因此能够抑制vdmi的值的振动，从而适当地收敛至允许值flim。
另外，力缓和部41修正原速度矢量vd并计算出缓和速度矢量vdm，以使缓和速度矢量vdm的与按压对象物的方向正交的方向的分量(vdmj分量和vdmk分量)、与原速度矢量vd的与按压对象物的方向正交的方向的分量(vdj分量和vdk分量)为相同的值。
另外，若在反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim后反作用力fs收敛于允许值flim内，则力缓和部41将调整累计值设为0。
另一方面，在反作用力fs的按压方向分量fsi收敛于允许值flim内时，力缓和部41不修正原速度矢量vd而是设为缓和速度矢量vdm。
力加减部42在反作用力fs超过允许值flim时修正作业端11a的移动方向，以便暂时维持在从动臂11的作业端11a按压对象物T的方向上的作业端11a的位置。即，在从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim并且缓和速度矢量vdm包括朝向按压对象物T的方向的按压方向分量vdmi时以使该按压方向分量vdmi变为0的方式，修正缓和速度矢量vdm并计算出加减速度矢量vda。
在本实施方式中，力加减部42例如通过以下算式(6)～(9)，基于缓和速度矢量vdm计算出加减速度矢量vda。
[算式3]
vda＝vdaii+vdajj+vdakk …(6)
vdai＝0 …(7)
vdaj＝vdmj …(8)
vdak＝vdmk …(9)
其中，
vdai是vda的i方向分量，
vdaj是vda的j方向分量，
vdak是vda的k方向分量。
另外，力加减部42修正缓和速度矢量vdm并计算出加减速度矢量vda，以使加减速度矢量vda的与按压对象物T的方向正交的方向的分量(vdaj分量和vdak分量)、与缓和速度矢量vdm的与按压对象物T的方向正交的方向的分量(vdmj分量和vdmk分量)成为相同的值。
另一方面，在从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi收敛于允许值flim时，或在缓和速度矢量vdm不包括朝向按压对象物的方向的按压方向分量vdmi时(按压方向分量vdmi取0或负值时)，力加减部42不修正缓和速度矢量vdm而是设为加减速度矢量vda。
指令生成部33基于修正后的作业端11a的移动方向生成从动动作指令xs和主控动作指令xm。即，指令生成部33基于加减速度矢量vda生成从动动作指令xs和主控动作指令xm，该加减速度矢量vda是基于缓和速度矢量vdm计算出的。指令生成部33包括基于加减速度矢量vda生成规定作业端11a的目标位置的从动动作指令xs的从动动作指令生成部51、和基于加减速度矢量vda生成规定主控臂21的目标位置的主控动作指令xm的主控动作指令生成部52。如上所述，主控动作指令xm是使操作端21a向与从动动作指令xs的作业端11a的移动方向对应的移动方向移动的动作指令。
[动作例]
接下来，对机器人系统100的动作例进行说明。
图3A和图3B是表示机器人系统100的动作例的流程图。图4A和图4B是表示机器人系统100的动作例的图。在本动作例中，使具有形成为圆筒形的贯通孔Wa的工件W、与作为在上下方向上延伸的圆柱状的销并且形成为能够与贯通孔Wa嵌合的对象物T嵌合，并使用机器人系统100进行将工件W组装于对象物T的作业。工件W由从动臂11的机械手16把持，对象物T例如位于生产线上。
首先，在不操作主控臂21并且从动臂11未与对象物T等环境接触的状态下，操作力fm为0，反作用力fs也为0，操作力fm与反作用力fs的差也为0。因此，换算部31计算的原速度矢量vd、力缓和部41计算的缓和速度矢量vdm、以及力加减部42计算的加减速度矢量vda均为0，从动动作指令生成部51和主控动作指令生成部52均不更新从动臂11和主控臂21的目标位置。因此，从动臂11和主控臂21维持现在的姿势。
接下来，若操作者P向使工件W接近对象物T的方向即下方对主控臂21的操作端21a施加操作力fm，则换算部31计算出具有与操作力fm与反作用力fs的差对应的大小的下方向的原速度矢量vd、即具有与操作力fm对应的大小的下方向的原速度矢量vd(步骤S1)。
接下来，力缓和部41判定从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi是否超过允许值flim(步骤S2)。在工件W以接近对象物T的方式移动的状态下，从动侧力检测部12检测到的反作用力fs是0，并收敛于允许值flim(在步骤S2中为否)，因此不修正原速度矢量vd而是设为缓和速度矢量vdm(步骤S32)。
接下来，力加减部42判定从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi是否超过允许值flim，并且缓和速度矢量vdm是否包括朝向按压对象物T的方向的按压方向分量vdmi(步骤S4)。在工件W以接近对象物T的方式移动的状态下，从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi是0(在步骤S4中为否)，因此不修正缓和速度矢量vdm而是设为加减速度矢量vda(步骤S52)。
接下来，从动动作指令生成部51基于加减速度矢量vda生成从动动作指令xs，并将从动坐标系中的从动臂11的作业端11a的目标位置更新为现在位置的下方的位置。将从动动作指令xs输入从动侧控制部14，从动侧控制部14使从动臂11的姿势变化，以使从动臂11的作业端11a向下方移动。另外，主控动作指令生成部52基于加减速度矢量vda生成主控动作指令xm，并将主控坐标系中的主控臂21的操作端21a的目标位置更新为现在位置的下方的位置。将主控动作指令xm向主控侧控制部24输入，主控侧控制部24使主控臂21的姿势变化，以便主控臂21的操作端21a向下方移动(步骤S6)。而且，再度执行步骤S1。
这样，构成为通过反复执行步骤S1～S6，从而从动臂11的作业端11a和主控臂21的操作端21a同时向下方移动。由此，操作者P能够获得犹如从动臂11的作业端11a以描绘主控臂21的操作端21a的举动的方式进行动作那样的感觉。
而且，通过从动臂11的作业端11a向下方移动，如图4A所示，工件W与对象物T的上端接触，若工件W按压于对象物T，则反作用力作用于工件W，并由从动侧力检测部12检测与该力的方向和大小对应的反作用力fs。图5A是表示本动作例中的由从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi的随时间推移的变化的图，并示出有在工件W与对象物T的上端接触的时刻t0反作用力fs的按压方向分量fsi超过了允许值flim这一情况。
而且，若由从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim，则在步骤S2中，力缓和部41判定为从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过了允许值flim(在步骤S2中为是)，并修正原速度矢量vd计算出缓和速度矢量vdm(步骤S31)。如上述算式(3)所示，通过在取正值的原速度矢量的按压方向分量vdi上加上取负值的调整比例值和调整累计值，计算出缓和速度矢量vdm的按压方向分量vdmi，如图5B所示，按压方向分量vdmi以伴随时间的经过而值变小的方式变化。
接下来，在步骤S4中，力加减部42判定为从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim，并且缓和速度矢量vdm包括朝向按压对象物T的方向的按压方向分量vdmi(在步骤S4中为是)，修正缓和速度矢量vdm并计算加减速度矢量vda，以使该按压方向分量vdmi变为0(步骤S51)。
即，如图5B所示，力加减部42在按压方向分量vdmi的值取正值的时间段T1中将缓和速度矢量vdm的按压方向分量vdmi的值设为0，并计算出加减速度矢量vda。由此如图5C所示，在时间段T1中加减速度矢量vda的按压方向分量vdai取0值。基于该加减速度矢量vda生成的从动动作指令xs和主控动作指令xm的按压方向(i方向)上的目标位置是与现在位置相同的位置。因此，在工件W与对象物T的上端接触之后的时间段T1中，从动臂11的作业端11a暂时维持在从动臂11的作业端11a按压对象物T的方向上的作业端11a的位置，并被限制移动，以使从动臂11的作业端11a不向下方移动。由此，能够防止过度的力作用于工件W和对象物T，从而能够防止工件W和对象物T损坏。另外，在工件W与对象物T的上端接触的时刻t0突然限制移动，以使主控臂21的操作端21a不向下方移动，并且在其之后的时间段T1中也限制移动，以使主控臂21的操作端21a不向下方移动。由此，操作者P能够获得作业端11a与对象物T接触并受到了冲击的感觉。另外，如图5A所示，在时间段T1中，从动臂11的作业端11a没有移动，因此从动侧力检测部12检测的反作用力fs没有变化。
而且，随着时间经过，加在原速度矢量vd上的调整累计值的绝对值增大，从而力缓和部41修正为缓和速度矢量vdm的按压方向分量vdmi的值变小，如图5B所示，若在时刻t1按压方向分量vdmi变为0以下，则如图5B和图5C所示，力加减部42在步骤S4中判定为缓和速度矢量vdm不包括朝向按压对象物T的方向的按压方向分量vdmi(在步骤S4中为否)，不修正缓和速度矢量vdm而设为加减速度矢量vda。基于该加减速度矢量vda生成的从动动作指令xs和主控动作指令xm的按压方向(i方向)上的目标位置，是比现在位置靠与工件W按压对象物T的方向相反的方向即靠工件W远离对象物T的一侧的位置。因此，如图5C所示，在到反作用力fs的按压方向分量fsi收敛于允许值flim内的时刻t2为止的时间段T2中，从动臂11的作业端11a向上方移动。由此，能够减小或取消工件W按压对象物T的力，从而能够有效地防止工件W和对象物T损坏。另外，构成为在与操作者P感到在时间段T1中受到的冲击的感觉的时间段T1连续的时间段T2中，使从动臂11的作业端11a逐渐向上方移动，因此能够防止在从动臂11和主控臂21产生振动，另外，能够防止操作者P给主控臂21的操作性带来不协调感。
而且，若在时间段T2中从动臂11的作业端11a向上方移动，则如图5A所示，反作用力fs的按压方向分量fsi的值减少。而且，如图3B所示，若在时刻t0反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim后，在时刻t2反作用力fs的按压方向分量fsi收敛于允许值flim内，则将算式(3)中的调整比例值和调整累计值复位为0。由此，在反作用力fs的按压方向分量fsi再次超过了允许值flim时，在原速度矢量vd的按压方向分量vdi上加上上次的调整比例值和调整累计值，从而能够防止在从动臂11和主控臂21的动作中引起异常。
另外，在本实施方式中，以从时刻t0到时刻t2为止的间隔为50毫秒左右的方式选择算式(3)的比例增益Kp和积分增益Ki的值。由此，能够使操作性提高。
另外，如算式(2)～(5)那样，力缓和部41修正原速度矢量vd并计算出缓和速度矢量vdm，以使缓和速度矢量vdm的与按压方向正交的方向的分量、和原速度矢量vd的与按压方向正交的向的分量为相同的值。另外，力加减部42修正缓和速度矢量vdm并计算出加减速度矢量vda，以使加减速度矢量vda的与按压方向正交的方向的分量、和缓和速度矢量vdm的与按压方向正交的方向的分量为相同的值。即，限制部32不修正换算部31计算的原速度矢量vd的与按压方向正交的方向的分量(原速度矢量vd的j方向分量和k方向分量)，而是计算出加减速度矢量vda。因此，在将工件W按压于对象物T的状态下的工件W的向j方向和k方向的移动操作(jk平面上的移动操作)与未将工件W按压于对象物T的状态没有变化。因此，能够顺利地进行使图4B所示的工件W与对象物T嵌合的操作，即能够顺利地进行探寻工件W的贯通孔Wa的轴与对象物T的轴一致的位置的操作。
如以上说明的那样，机器人系统100的限制部32限制操作端21a向按压对象物T的方向的移动，因此通过在将工件W按压于对象物T的状态下向与按压方向正交的平面方向移动，从而能够防止过大的摩擦力作用于工件W与对象物T之间，从而能够防止工件W和对象物T损坏。
另外，在保持于作业端11a的工件W按压对象物T的状态下，不进行模式切换操作等特别的操作，通过对操作端21a向与作业端11a远离对象物T的方向对应的方向施加力，就能够使从动臂11的作业端11a向远离对象物T的方向移动，从而能够使操作性提高。即，即使在保持于作业端11a的工件W按压对象物T的状态下，能够与保持于作业端11a的工件W未与对象物T接触时相同地进行使作业端11a向作业端11a远离对象物T的方向移动的操作。
此外，在本实施方式中，从动臂11是工业用机器人，在从动臂驱动部13的减速器中使用有波动齿轮装置等减速比较大的机构，因此，通常伺服马达的控制使用位置控制。然而在位置控制中，若保持于作业端11a的工件W与对象物T等环境接触，则产生较大的反作用力，从而有可能使工件W、对象物T损坏。然而，限制部32限制操作端21a向按压对象物T的方向的移动，因此能够在使用了位置控制的机器人系统100中有效地防止工件W、对象物T的损坏。
＜实施方式1的变形例＞
从动侧力检测部12使用配设于从动臂11的作业端11a的传感器，检测作用于从动臂11的作业端11a或作用于在作业端11a保持的工件W的反作用力fs的方向和大小，但并不局限于此。也可以取代之，使从动侧力检测部12基于向从动臂11的各关节的伺服马达供给的电流值，检测作用于从动臂11的作业端11a或作用于在作业端11a保持的工件W的反作用力fs的方向和大小。
另外，主控侧力检测部22使用配设于主控臂21的操作端21a的传感器，检测操作者P向主控臂21的操作端21a施加的操作力fm的方向和大小，但并不局限于此。也可以取代之，使主控侧力检测部22基于向主控臂21的各关节的伺服马达供给的电流值，检测操作者P向主控臂21的操作端21a施加的操作力fm的方向和大小。
(实施方式2)
以下，以与实施方式1的不同点为中心对实施方式2的结构、动作进行叙述。
图6是示意地表示实施方式2的机器人系统的控制系统的结构例的框图。
在本实施方式2中，系统控制部3还具备夸张表现部252。
基于从动侧力检测部12检测到的反作用力fs判定工件W与对象物T是否处于接触状态，在判定为处于接触状态的情况下，夸张表现部252对操作者P夸张并提示工件W与对象物T接触的感觉。
对于对操作者P的感觉的提示而言，夸张表现部252基于从动臂11的反作用力fs生成速度分量，在向主控动作指令生成部52输入的加减速度矢量vda上加上生成的速度分量。生成的速度分量例如是与1个周期对应的三角波分量，由此，能够对操作操作端21a的操作者P表现从动臂11碰到了较硬的对象物的感觉。
(实施方式3)
在上述实施方式1中，例示出限制部32包括力缓和部41和力加减部42的方式，但并不局限于此。，也可以取代之而构成为：限制部32包括力缓和部41与力加减部42中的力缓和部41。
在该情况下，对于力缓和部41而言，指令生成部33基于缓和速度矢量vdm生成从动动作指令xs和主控动作指令xm。
(实施方式4)
在上述实施方式1中，例示出限制部32包括力缓和部41和力加减部42的方式，但并不局限于此。，也可以取代之而构成为：限制部32包括力缓和部41与力加减部42中的力加减部42。
在该情况下，在从动侧力检测部12检测到的反作用力fs的按压方向分量fsi超过允许值flim，并且原速度矢量vd包括朝向按压对象物T的方向的按压方向分量vdi时，力加减部42修正原速度矢量vd并计算加减速度矢量vda，以使该按压方向分量vdi变为0。
根据上述说明，对于本领域技术人员而言，本发明的许多改进、其他实施方式是显而易见的。因此，上述说明应仅作为例示来解释，是以向本领域技术人员教导执行本发明的最佳的形态的目的而提供的。只要不脱离本发明的精神，就能够实质性地变更其构造和/或功能的详细内容。
附图标记说明
T…对象物；W…工件；1…从动单元；2…主控单元；3…系统控制部；11…从动臂；11a…作业端；12…从动侧力检测部；13…从动臂驱动部；14…从动侧控制部；21…主控臂；21a…操作端；22…主控侧力检测部；23…主控臂驱动部；24…主控侧控制部；31…换算部；32…限制部；33…指令生成部；100…机器人系统。

Claims (13)

1.一种机器人系统，具有：
从动单元，其包括：具有作业端的从动臂、在保持于所述作业端的工件与组装该工件的对象物接触时对作用于所述作业端或作用于在所述作业端保持的所述工件的反作用力的方向和大小进行检测的从动侧力检测部、驱动所述从动臂的从动臂驱动部、以及基于规定所述作业端的移动方向的从动动作指令来控制所述从动臂驱动部的从动侧控制部；
主控单元，其包括：具有操作端的主控臂、检测操作者对所述操作端施加的操作力的方向和大小的主控侧力检测部、驱动所述主控臂的主控臂驱动部、以及基于规定所述操作端的移动方向的主控动作指令来控制所述主控臂驱动部的主控侧控制部；以及
系统控制部，其基于所述操作力和所述反作用力，生成所述从动动作指令、和使所述操作端向与该从动动作指令的所述作业端的移动方向对应的移动方向移动的所述主控动作指令，
所述机器人系统的特征在于，
所述系统控制部具有：
换算部，其基于所述操作力和所述反作用力计算出所述作业端的移动方向；
限制部，其在所述反作用力超过预先设定的允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便限制所述作业端向按压所述对象物的方向的移动；以及
指令生成部，其基于修正后的所述作业端的所述移动方向生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，
所述从动动作指令是位置指令。
3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，
所述限制部具有力加减部，
所述力加减部在所述反作用力超过所述允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便暂时维持所述作业端按压所述对象物的方向上的所述作业端的位置。
4.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，
所述换算部基于所述操作力与所述反作用力的差计算出规定所述作业端的移动方向和移动速度的原速度矢量，
所述限制部具有力加减部，
所述力加减部在所述反作用力的朝向按压所述对象物的方向的按压方向分量超过所述允许值，并且所述原速度矢量包括朝向按压所述对象物的方向的按压方向分量时以使该按压方向分量变为0的方式，修正所述原速度矢量并计算出加减速度矢量，
所述指令生成部基于所述加减速度矢量而生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
5.根据权利要求4所述的机器人系统，其特征在于，
所述力加减部修正所述原速度矢量并计算出所述加减速度矢量，以使所述加减速度矢量的与作为按压所述对象物的方向分量的按压方向分量正交的方向的分量、与所述原速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量成为相同的值。
6.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，
所述限制部具有力缓和部，
所述力缓和部在超过所述允许值时修正所述作业端的移动方向，以使所述作业端向与所述作业端按压所述对象物的方向相反的方向移动。
7.根据权利要求6所述的机器人系统，其特征在于，
所述换算部基于所述操作力与所述反作用力的差，计算出规定所述作业端的移动方向和移动速度的原速度矢量，
所述力缓和部在所述反作用力超过所述允许值时，基于从所述允许值的偏离值修正所述原速度矢量并计算出缓和速度矢量，以使所述原速度矢量的作为按压所述对象物的方向分量的按压方向分量变小，
所述指令生成部基于所述缓和速度矢量生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
8.根据权利要求7所述的机器人系统，其特征在于，
所述力缓和部在所述原速度矢量的所述按压方向分量上加上调整累计值来修正所述原速度矢量并计算出所述缓和速度矢量，所述调整累计值是将从所述允许值中减去所述反作用力所得的值累计后的值乘以规定的增益所得到的值。
9.根据权利要求8所述的机器人系统，其特征在于，
若在所述反作用力超过所述允许值后所述反作用力又收敛至允许值内，则所述力缓和部将所述调整累计值设为0。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的机器人系统，其特征在于，
所述限制部具有力加减部，
所述力加减部在所述反作用力超过所述允许值时修正所述作业端的所述移动方向，以便暂时维持所述作业端按压所述对象物的方向上的所述作业端的位置。
11.根据权利要求6～9中任一项所述的机器人系统，其特征在于，
所述限制部还具有力加减部，
所述力加减部在所述反作用力的朝向按压所述对象物的方向的按压方向分量超过所述允许值，并且所述缓和速度矢量包括所述按压方向分量时以使该按压方向分量变为0的方式，修正所述缓和速度矢量并计算出加减速度矢量，
所述指令生成部基于所述加减速度矢量生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
12.根据权利要求11所述的机器人系统，其特征在于，
所述力缓和部修正原速度矢量并计算出所述加减速度矢量，以使所述缓和速度矢量的与作为按压所述对象物的方向分量的按压方向分量正交的方向的分量、与所述原速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量成为相同的值，
所述力加减部修正所述缓和速度矢量并计算出所述加减速度矢量，以使所述加减速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量、与所述缓和速度矢量的与按压所述对象物的方向正交的方向的分量成为相同的值。
13.一种机器人系统的控制方法，机器人系统具有：
从动单元，其包括：具有作业端的从动臂、在保持于所述作业端的工件与组装该工件的对象物接触时对作用于所述作业端或作用于在所述作业端保持的所述工件的反作用力的方向和大小进行检测的从动侧力检测部、驱动所述从动臂的从动臂驱动部、以及基于规定所述作业端的移动方向的从动动作指令来控制所述从动臂驱动部的从动侧控制部；
主控单元，其包括：具有操作端的主控臂、检测操作者对所述操作端施加的操作力的方向和大小的主控侧力检测部、驱动所述主控臂的主控臂驱动部、以及基于规定所述操作端的移动方向的主控动作指令来控制所述主控臂驱动部的主控侧控制部；以及
系统控制部，其基于所述操作力和所述反作用力，生成所述从动动作指令、和使所述操作端向与该从动动作指令的所述作业端的移动方向对应的移动方向移动的所述主控动作指令，
所述机器人系统的控制方法的特征在于，具有以下步骤：
换算步骤，所述系统控制部基于所述操作力和所述反作用力计算出所述作业端的移动方向；
限制步骤，所述系统控制部在所述反作用力超过预先设定的允许值时修正所述作业端的移动方向，以便限制所述作业端向按压所述对象物的方向的移动；以及
指令生成步骤，所述系统控制部基于修正后的所述作业端的移动方向生成所述从动动作指令和所述主控动作指令。
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